1.6　煤基功能性填料的应用及发展趋势

1.6.1　煤制功能性填料的优势

（1）煤炭资源丰富　我国煤炭资源总量丰富，分布面广，品种齐全。据统计，截至2010年年底，全国煤炭保有探明资源储量为13412亿吨，其中西部地区占全国增量的90%以上。煤炭品种多样化，从低变质程度的褐煤到高变质程度的无烟煤都有储存，其中烟煤占75%、无烟煤占12%、褐煤占13%。丰富的煤炭资源，为煤基功能性填料的开发提供了充足的原材料。

（2）煤的结构活性高　煤主要由缩合芳香环基本单元和少量的氢化芳香环、脂环和杂环等构成。煤的结构单元外围除了连接着烷基侧链外，还有一些像羧基（—COOH）、羟基（—OH）、甲氧基和醚键等含氧官能团以及少量硫醇（R—SH）、硫醚、二硫醚、杂环硫等含氮和含硫官能团，赋予了煤较高的活性，有利于煤的化学改性。可以改善聚合物的绝缘性能、阻燃性能和加工性能；可以降低聚合物的相对密度，增大体积，降低成本。此外，无烟煤特有的层状结构，还可以阻碍气体在聚合物基体中的扩散和渗透，增大气体和溶剂分子在聚合物中的穿行路径，降低渗透率，从而改善聚合物材料的阻隔性能。

（3）填充性能好　煤基填料与聚合物具有良好的相容性，在填充改性聚合物材料时，可以改善聚合物的物理力学性能，起到补强作用；可以改善聚合物的绝缘性能、阻燃性能和加工性能；可以降低聚合物的相对密度，增大体积，降低成本。另外，无烟煤特有的层状结构，还可以阻碍气体在聚合物基体中的扩散和渗透，增大气体和溶剂分子在聚合物中的穿行路径，降低渗透率，从而改善聚合物材料的阻隔性能。与其他填料一样，煤基填料具有增容增强的双重性，可以部分替代以石油、天然气、焦炉煤气、煤焦油等为原料生产的高成本炭黑，减少污染。若能通过改性技术，提高煤基材料的分散性和相容性，使其填充改性的橡胶接近炭黑填充胶的性能指标，其发展前景将十分乐观。

（4）成本和能耗低　以煤为主要原料，加入化学添加剂，经过表面改性处理制成的煤基填料，可以作为橡胶的功能性补强剂，它与橡胶的传统增强材料炭黑和白炭黑相比，具有自身的优势：一是价格较低，只有补强性能相当的半补强炭黑和通用炭黑的50%左右；二是综合能耗较低，生产1t通用炭黑和半补强炭黑需原料油3140kg，耗电450kW·h，相当于5t标准煤，喷雾干燥法生产沉淀白炭黑的综合能耗相当于4.42t标准煤，而煤制橡胶填料的综合能耗只相当于1.5～2t标准煤（包括原料煤）。煤制橡胶填料可以节约资源，降低成本和能耗，具有明显的经济效益和社会效益。

1.6.2　煤基功能性填料的应用及发展趋势

煤炭作为一种不可再生资源，被直接燃烧，转化利用率低，会严重污染环境，并造成资源浪费。如果利用煤的特殊网状大分子结构，采用深加工技术制备煤基功能性填料，填充改性聚合物，获得的聚合物/煤复合材料可广泛应用于不同应用领域的橡塑制品中，不仅能显著降低制品的成本，而且为煤炭资源的洁净利用提供了新途径。

煤基聚合物复合材料属高分子科学与煤化学交叉研究的领域。煤炭有机大分子由缩合程度不同的芳香烃及脂环、杂环结构单元组合而成，与某些功能型高分子材料的结构具有很高相似性，在性质上具有相容性。因此，以煤为原材料开发研究煤基功能性复合材料，已引起国内外科技界的广泛重视。但煤基材料与聚合物的相容性还有待改善，对聚合物的增强和增韧效果需进一步加强，整体性能离高质量聚合物基复合材料的要求尚有一定的差距，具有进一步改善的空间。今后，煤基材料的功能化以及对聚合物的填充改性研究可以着重从这样三个方面来展开：一是选用有针对性的改性剂，通过界面改性的方法，对煤粉进行超细化改性研究，提出煤基超细粉体的制备新工艺；二是通过一定的化学手段，减弱和消除束缚在芳香微晶片层之间产生离子力、氢键力、电荷转移力的非共价交联键，进一步细化颗粒在聚合物中的分散尺寸，使其产生纳米尺寸效应，改善相容性后与聚合物共混，开发煤基聚合物纳米复合材料；三是利用高阶无烟煤的似石墨层片结构，进行聚合物的插层改性研究，探讨煤的溶胀和插层改性，实现无烟煤的似石墨层片在聚合物中的良好分散，开发具有隔热、阻燃、阻气的新型功能复合材料，将是一个重要的研究方向。